TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
------------------

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI- 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
------------------

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC




MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1....................................................................................................... 3
TỔNG QUAN ................................................................................................... 3
1.1.

Hiệu ứng từ điện trở .......................................................................... 3

1.1.1.

Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR......................................................... 3

1.1.2.

Hiệu ứng Hall phẳng ......................................................................... 6

1.2.

Mạch cầu Wheatstone ..................................................................... 10

1.3.

Nhiễu cảm biến ................................................................................ 12

CHƢƠNG 2..................................................................................................... 16
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 16
2.1.


2.2.2.

Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến .................................... 22

CHƢƠNG 3..................................................................................................... 24
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 24
3.1.

Quy trình chế tạo cảm biến.............................................................. 24

3.1.1.

Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone ..................................... 25

3.1.1.1. Quá trình quang khắc ...................................................................... 25
3.1.1.2. Quá trình phún xạ ............................................................................ 27


3.1.2.

Chế tạo các điện cực ........................................................................ 28

3.2.1.

Tính chất từ và từ điện trở trên màng “full film“ ............................ 29

3.2.2.

Tính chất từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone....................... 30

Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở .......................................... 23
Hình 2.7. (a) Cảm biến đƣợc đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến đƣợc kết nối
với hệ đo điện từ .................................................................................................. 24
Hình 3.1. Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor ............................................ 25
Hình 3.2. Ảnh chụp mask điện trở của mạch cầu Wheatstone ........................... 27
Hình 3.3. Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off .................................... 29
Hình 3.4. Ảnh chụp mask điện cực ..................................................................... 29
Hình 3.6. (trái) Đƣờng cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 15 nm ..... 31
Hình 3.7. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều, đo tại 1mA:
(trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ trƣờng nhỏ ........ 32


Hình 3.8. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều, đo tại các
dòng 1, 2, 3 mA: (trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ
trƣờng nhỏ ........................................................................................................... 33


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau
đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng thấp, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên
hiệu ứng quang và từ nhƣ cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang,
bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện – từ, cảm ứng điện từ (FluxGate), hiệu ứng Hall…. Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng
khác nhau nhƣng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích
hiệu điện thế nối ra từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cƣờng độ của từ
trƣờng tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các
ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng
lĩnh vực ứng dụng.
Ƣu điểm của các cảm biến quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao
nhƣng công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hƣởng bởi môi

- Cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm: chế tạo cảm biến với vật liêu Ni80Fe20 ,
đo đạc và xử lý số liệu.

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance- MR) là sự thay đổi điện trở của
một vật dẫn dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức:
MR      0   H   0  R0  RH  R0

(1.1)

Trong đó:  0 ,  H  , R0 , RH  lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của
vật dẫn
1.1.1. Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR
Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) là
hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất
dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện, mà
bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng
điện.
William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn
kim loại sắt từ là niken và sắt dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam
châm điện có thể đạt tới 3- 5% ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra sự thay đổi này còn
phụ thuộc vào phƣơng đo, góc tƣơng đối giữa cƣờng độ dòng điện và từ
trƣờng ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu.

và hƣớng của vectơ từ độ (vectơ từ hóa) và mối quan hệ giữa hƣớng của vectơ
từ độ và từ trƣờng ngoài. Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua
góc  - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ:

4


l
l
 
cos  R0, p  R cos 2 
bd
bd
R
cos(2 )  1  R0, p  R  R cos(2 )

2
2
2

R( )   0, n
 R0 , p

(1.2)

Trong đó:
 0 , n và  là hằng số của vật liệu
l

là độ dài của màng mỏng


I
H
M

VH

Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng
Ở đây ta cần chú ý đến sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thƣờng,
hiệu ứng Hall dị hƣớng và hiệu ứng Hall phẳng. Nếu trong hiệu ứng Hall
thƣờng và dị hƣớng từ trƣờng ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong

6


hiệu ứng Hall phẳng từ trƣờng ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu
(hình 1.4).

Hình 1.4. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường
và hiệu ứng Hall phẳng
Sở dĩ có sự khác nhau nhƣ vậy là do trong hiệu ứng Hall thƣờng, thế
Hall xuất hiện do lực Lorentz của từ trƣờng ngoài tác dụng nên các hạt mang
điện, còn trong hiệu ứng Hall phẳng nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ độ của
mẫu và chiều dòng điện. Về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu ứng từ trở
dị hƣớng AMR.

M






Hiệu ứng Hall phẳng đƣợc tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật
liệu phụ thuộc vào góc giữa phƣơng của dòng điện I và từ độ của mẫu M.
Dƣới tác dụng của dòng Ix đặt theo phƣơng x, nếu từ trƣờng ngoài H hợp với
dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của
cảm biến sẽ lệch một góc θ so với phƣơng của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thể
ra Vy xuất hiện theo phƣơng vuông góc với dòng điện Ix:
Vy = Ix Rsinθcosθ

(1.3)

Với R = (// - )/t, // và  lần lƣợt là điện trở suất của mẫu đo theo
phƣơng song song và vuông góc với phƣơng từ hóa, t là chiều dày tổng cộng
của màng.

Hình 1.6. Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve
Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các cảm biến Hall, ngƣời ta
thƣờng sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth. Theo đó, với cấu trúc spin valve, kích thƣớc mỗi lớp là kích thƣớc đơn đômen của Stonner – Wohlfarth.
Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài H, năng lƣợng từ trên một đơn vị diện tích
của lớp sắt từ tự do đƣợc cho bởi công thức:

8


E = - Hex Ms tp cos(β – θp) + Kup tp sin2θp
- Msp tp H cos(α – θp) + Kuf tf sin2θf
- Msf tf H cos(α - θf) – Jcos(θf - θp)

(1.4)

Vy
IH



9

R
H K  H ex

(1.6)


1.2. Mạch cầu Wheatstone
Mạch cầu Wheatstone là mạch điện đƣợc sử dụng để đo một điện trở
chƣa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong đó một
nhánh chứa thành phần điện trở chƣa xác định. Mạch cầu Wheatstone đƣợc
phát minh bởi Samuel Hunter Christe vào năm 1833 và đƣợc phát triển, đƣa
vào sử dụng rộng rãi bởi Sir Charles Wheatstone vào năm 1834.
Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.7) bao gồm có bốn
điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc mắc song song với nhau. Một nguồn điện một
chiều đƣợc sử dụng để cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện chạy trong mạch
điện và một điện kế G có độ nhạy cao đƣợc dùng để đo chênh lệch điện thế
lối ra giữa 2 điểm B, D của cầu.

Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone
Khi ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch điện, ta có:

10


Với ƣu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, tôi đã chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm tối đa ảnh hƣởng của môi trƣờng,
đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong
thiết kế cảm biến dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở
bằng nhau R1 = R2 = R3 = R4. Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các
điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để chế
tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ. Cảm
biến mạch cầu Wheatstone đƣợc tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún
xạ. Vì các điện trở trong mạch cầu làm từ vật liệu từ NiFe nên khi đặt cảm
biến trong từ trƣờng, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau
do phƣơng từ hóa của các điện trở trong mạch đƣợc chế tạo khác nhau. Vì
vậy, khi chƣa tác dụng từ trƣờng thì mạch cầu cân bằng, nhƣng khi chịu tác
dụng của từ trƣờng thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo
đƣợc tín hiệu lối ra của cảm biến.
1.3.

Nhiễu cảm biến
Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi

trƣờng bên ngoài nhƣ nhiệt độ, tần số..., những ảnh hƣởng này gọi chung là
nhiễu. Nhiễu là sự thay đổi ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của cảm biến khi giá trị
đo bằng 0. Một thông số quan trọng để đánh giá các cảm biến là tỷ số tín hiệu
trên nhiễu (signal/noise).
Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, nhiễu
nhiệt và nhiễu lƣợng tử, đƣợc xác định bởi:

12


(1.9)

(1.12)
* Nhiễu lƣợng tử: Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện
nhiễu lƣợng tử, vì sự thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi
sự biến thiên điện tử và lỗ trống đƣợc phát ra. Dòng nhiễu đƣợc xác định:
I sh2 = 2qIDCB

(1.13)

Trong đó: q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B là dải nhiễu.
* Nhiễu 1/f: Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc
không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp
xúc với nhau. Nhiễu 1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng
lƣợng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của
dải thông có đƣợc thể hiện nhƣ sau:
If
K×IDC
≈
(1.14)
sqrt(B
sqrt(f)
)
Với IDC là giá trị trung bình của dòng DC, f là tần số, K là hằng số phụ
thuộc vào loại vật liệu và hình dạng của nó, B là dải thông tần số[9].
* Nhiễu Barkhausen: Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng
Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tƣợng điện tích biến đổi không liên tục
trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trƣờng thay đổi liên tục.
Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hƣởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của
vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen đƣợc biết đến nhƣ hiệu

14

bị quay phủ Suss MicroTec. Chất cản quang đƣợc sử dụng là AZ5214-E.

Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển
Thiết bị quay phủ gồm 3 bộ phận chính: buồng quay phủ, bơm hút chân
không và bảng điều khiển.
Trong buồng quay phủ có một trục quay thẳng đứng, trên đầu trục là một
lỗ nhỏ dùng để hút chân không giữ mẫu. Buồng có nắp đậy ở trên để ngăn
chặn bụi rơi vào mẫu khi quay phủ và giữ an toàn cho ngƣời sử dụng khi mẫu
đƣợc quay với tốc độ cao. Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm
thiểu hạt sinh ra trong quá trình quay phủ.
Bảng điều khiển cho ta tùy chỉnh các thông số:
STEP: Số bƣớc trong một chu trình quay phủ (v/p)

16

Trích đoạn Tính chất từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài với các dòng cấp

---